Fe摻雜GaN的載流子動力學特性

摘 要：【目的】在通信波段（1 310 nm和1 550nm）探究Fe摻GaN（GaN：Fe）晶體的超快載流子動力學特性，并從半導體能帶角度闡述光生載流子的瞬態吸收和復合機制。【方法】利用飛秒瞬態超快吸收光譜結合半導體能帶理論進行試驗和理論的研究。【結果】實現了對GaN：Fe的“以光控光”的全光調制功能，試驗擬合得到的光生載流子復合壽命，即光控開關時間可以縮短至10 ps以下，對應的全光調制速率可快至50 GHz。【結論】理論預測在0.5 mJ/cm2的超低泵浦能流下，GaN：Fe的光開關調制深度可高達50%，且不會受到Fe摻雜濃度的提高而降低。研究成果為過渡金屬摻雜寬禁帶半導體在未來集成光子器件領域的應用提供了重要參考。

關鍵詞：GaN；載流子動力學；瞬態吸收；全光調制

中圖分類號：O734；O657.3 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1003-5168（2024）12-0084-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.017

Carrier Dynamics in Fe-doped GaN

YE Fei 1 MA Guiying1 FANG Yu2

（1. Patent Examination Cooperation （Jiangsu） Center of the Patent Office， Suzhou 215163， China; 2. School of Physical Science and Technology， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009， China）

Abstract：[Purposes] This paper investigates the ultrafast carrier dynamics of Fe doped GaN （GaN： Fe） crystal in the communication band （1 310 nm and 1 550 nm）， and elucidates the transient absorption and recombination mechanism of photo-generated carriers from the perspective of semiconductor energy bands. [Methods] Experimental and theoretical research was conducted using femtosecond transient ultrafast absorption spectroscopy combined with semiconductor band theory. [Findings] The all-optical modulation function of GaN： Fe was achieved by controlling light with light. The experimentally fitted photo-generated carrier recombination lifetime， that is， the optical switching time can be shortened to below 10 ps， and the corresponding all-optical modulation rate can be as fast as 50 GHz. [Conclusions] Theoretical prediction shows that under ultra-low pump energy flow of 0.5 mJ/cm2， the modulation depth of GaN： Fe optical switch can reach up to 50%， and it will not be reduced by the increase of Fe doping concentration. The results of this paper provide important scientific references for the application of transition metal doped wide bandgap semiconductors in the field of integrated photonic devices in the future.

Keywords： GaN; carrier dynamics; transient absorption; all-optical modulation

0 引言

半導體科技是20世紀最重要且最有影響的高新科技之一，其重要性和影響力延續至今。半導體材料在半導體科技的發展過程中扮演著舉足輕重的角色。目前，可以把半導體材料分為三代。Si和Ge等間接窄禁帶半導體材料歸為第一代。為滿足超高速、微波大功率器件和集成電路的需求，20世紀70年代引入的包括化合物半導體砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷化銦（InP）在內的半導體材料為第二代。第二代半導體材料與第一代半導體材料相比，除了禁帶寬度增大以外，其電子遷移率與電子飽和速度也大大提高，更適合在高頻下工作。為實現高頻、寬帶寬、高效率，以及大功率等器件的制備，20世紀末，第三代寬禁帶（禁帶寬度大于或等于2.3 eV）半導體材料開始有了重要發展，主要包括III族氮化物、氧化鋅（ZnO）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等材料。寬禁帶寬度、低介電常數、高擊穿場強、高電子飽和速度和高熱導率使第三代半導體，特別是GaN和SiC，更加適應用于微波高功率、高頻、高溫、抗輻射和高密度集成的電子器件中。

寬帶隙半導體材料中載流子由于不同的復合機理引起的載流子速率方程可以用簡單的ABC模型來進行描述［1］，具體模型為式（1）。

[dndt=S-A?n-B?n2-C?n3] "（1）

式中：n是電子和空穴的濃度；S是載流子產生率；A為Shockley-Read-Hall （SRH）非輻射間接復合系數；B為輻射復合系數；C為俄歇復合系數。

由于B和C是材料的固有參數，因此間接復合SRH系數A是影響和調控載流子復合過程最重要的光物理參數。以（+1/0）電荷態的缺陷為例，SRH復合系數A可以表示為式（2）。

[A=NCnCpCn+Cp]， " " " " （2）

式中：N為缺陷態密度；Cn（Cp）是缺陷對電子（空穴）的俘獲系數，它描述了缺陷俘獲載流子的能力，定義為俘獲截面乘以載流子熱速度。

在寬帶隙半導體中，缺陷可以充當電荷陷阱或復合中心。此時產生的非平衡載流子電子和空穴將通過缺陷以SRH形式復合，使得載流子壽命大幅縮短、量子效率顯著降低，嚴重影響發光和太陽能電池器件的性能。因此，對于發光二極管、激光二極管，太陽能電池器件來說，復合系數A應大大降低。但這些缺陷也可以被有效利用：其一，寬禁帶材料中的缺陷可以作為輻射復合中心，用來發射出特定波長的熒光［2］；其二，可以有意在材料中引入缺陷或者人為摻入一些元素作為復合中心用于超高速光電開關和太赫茲脈沖的產生，而利用以上這些效應時，復合系數A應當足夠大，才可使得載流子壽命大大縮短。因此，為制造能效更高的光電子和光伏器件，需要了解不同缺陷對其載流子動力學的影響及物理機理。

時間分辨泵浦探測方法不僅具備PL方法的優勢，同時不會受到輻射方式的影響，可以更準確地獲得載流子的瞬態光譜和動力學行為［3］。基于自由載流子吸收的時間分辨泵浦探測技術是探究半導體載流子動力學十分有效的方法［4］。然而，大部分瞬態吸收測量都只利用單波長進行探測，但是缺陷的種類眾多，在材料中會同時存在不同狀態和不同類型的缺陷，如何將這些缺陷區分，分別得到這些缺陷的瞬態光譜，以及載流子俘獲截面，是十分復雜的科學問題。利用白光超連續譜（寬波段）作為探測光，可以同時了解光生載流子的光譜和時間特性，了解不同缺陷態之間載流子的弛豫復合機制和壽命，給載流子動力學提供更豐富和準確的信息［5-7］，是研究缺陷動力學的一種有效方法。

1 材料與試驗方法

1.1 材料

（0001）取向的Fe摻雜GaN（GaN： Fe）單晶材料，利用氫化物氣相外延（hydride vapor phase epitaxial，HVPE）生長在藍寶石基底上（約1.5 mm），具有很低的位錯密度（約為[1×106cm-2]）。

1.2 試驗方法

試驗所用的一組GaN： Fe樣品是從塊狀GaN：Fe晶體中沿平行于c面的平面切下，并對兩面進行了拋光，厚度為1 mm。在生長過程中，通過控制HCl流量來控制GaN中Fe的濃度，并通過二次離子質譜測量來確定Fe的濃度［8］。GaN中Fe雜質形成的深能級可以補償剩余的施主能級，從而形成高電阻率（約[106Ω?cm]）的半絕緣材料。利用基于泵浦探測的飛秒瞬態吸收（transient absorption，TA）技術對非線性吸收動力學進行了研究，如圖1所示。用于帶間激勵（320～370 nm）的泵浦光束的光源由光學參數放大器（OPA， Light Conversion ORPHEUS，6 kHz）產生，被斬波器斬波后的頻率為137 Hz，聚焦在樣品處的光斑約為1.2 mm。500～1 700 nm的白光超連續探測脈沖是由1 030 nm的激光脈沖聚焦到厚度為5 mm的YAG 晶體上產生的。利用單色儀后的InGaAs光電探測器來檢測樣品之后的透射探測脈沖信號。通過可見脈沖的二階衍射用光譜儀選擇和校準探測脈沖的近紅外波長，使泵浦光束和探測光束的偏振方向互相垂直以消除干涉。通過標準同步鎖相放大器比較在有泵浦脈沖和無泵浦脈沖時泵浦脈沖的透過率，在掃描泵浦脈沖和探測脈沖之間的延遲的同時記錄樣品的差分光密度（ΔOD，由式（3）定義）。泵浦脈沖和探測脈沖的持續時間均為190 fs，測量系統時間分辨率約為280 fs。所有試驗測量均在室溫下進行。

[ΔOD（λp，t）=lgTonToff] " "（3）

式中：λp表示探測波長，mm；t表示延遲時間；[Ton]和[Toff]分別代表有泵浦脈沖和無泵浦脈沖時探測光的透射強度。

2 結果與討論

2.1 GaN：Fe的瞬態吸收試驗結果

帶間激發GaN：Fe晶體在580 nm和1 550 nm探測下差分透射率與延遲時間的關系如圖2所示：Fe晶體中帶間調制（365 nm）的吸收弛豫曲線，Fe的摻雜濃度相同（6×1018 cm-3）。在泵浦能流75 μJ/cm2下由帶間激發產生的過剩載流子濃度ΔNeh約為1×1018 cm-3。在可見波長下探測時，TA信號在激發后幾乎沒有恢復。相比之下，在1 550 nm通信波長下探測時，可以觀察到明顯的調制和TA恢復信號。同時，透射率調制幅度和載流子壽命比在580 nm處探測到的透射率調制和載流子壽命大和快了幾個數量級。由泵浦激發引起的導帶和價帶中過量的自由載流子將導致吸收的額外變化，自由載流子引起的帶內吸收可以描述為聲子輔助間接吸收。根據關系[σeh∝λb]，自由載流子截面σeh將隨探測波長的增加而增加。通常，GaN中的自由載流子吸收（FCA）可以歸因于極性光學聲子輔助的FCA，此時b=2.5［9-10］。參照相關的試驗和理論研究，在GaN和其他半導體中，b值可以在1.5～4之間［10-11］。因此在1 550 nm處探測到的TA信號比在580 nm處探測到的信號大得多。由于探測波長比GaN的帶隙長得多，帶內FCA Δα = σehΔNeh可以簡單地通過半經典Drude模型處理。該模型很好地模擬了紅外波段內的吸收過程，可以表示為式（4）［12］。

[Δα=e3λ24π2c3n0ε0ΔNeμe（m*ce）2+ΔNhμh（m*ch）2] （4）

式中：ΔNe（h）代表多余的電子（空穴）；μe（h）表示電子（空穴）的遷移率；[m*ce（ch）]表示電子（空穴）的有效質量。由于纖鋅礦GaN中電子的有效質量比的空穴大得多，式（4）中的FCA主要源于激發的電子。

2.2 GaN：Fe的全關開關調制速度及深度分析

在325 nm的泵浦波長下，探究了在1 310 nm和1 550 nm通信波長處的光學非線性吸收響應的時間動力學，以評估GaN：Fe在超快全光開關應用中的適用性（如圖3所示）。

在兩個探測波長處的瞬態非線性吸收響應具有相同的上升時間（不超過300 fs，此估算值受限于激光寬度）和完全恢復時間（20 ps），這樣的超快響應將使全光調制速度至少達到50 GHz。GaN：Fe的分數透射率變化（調制深度）ΔTon/Toff（ΔTon表示零延遲后透射率的絕對變化），以及有效載流子壽命在1 550 nm和1 310 nm探測波長下隨50-500 μJ/cm2泵浦能流的變化，對應于過剩載流子濃度ΔNeh在0.7～7 ×1018 cm-3的變化如圖4所示。計算曲線是基于在325 nm泵浦的TA結果。由于激光功率的限制，最大泵浦能流僅能達到0.22 mJ/cm2，試驗數據與計算曲線十分吻合，證明了計算結果的可靠性。在0.5 mJ/cm2的泵浦能流下，1 550 nm和1 310 nm通信波長下探測到的透射率的變化分別單調增加50%和40%以上。雖然結果并不是完全的試驗驗證，但計算結果表明，在較高的泵浦能流下，甚至可以實現更高的調制深度。此外，與過剩載流子濃度（7×1018 cm-3）相比，Fe受體的濃度更高（1×1019 cm-3），有效載流子壽命隨泵浦能流的增加略有增加（10%），導致即使在很大的調制深度下，調制速度幾乎不衰減，這樣的特性十分有利于超快全光開關的應用。

3 結論

在寬禁帶體GaN中，Fe雜質的摻雜引入會極大調制GaN的光學非線性及載流子壽命。通過對GaN： Fe在通信波段的載流子動力學的進一步研究來證明其在全光開關方面的適用性。試驗采用泵浦探測技術，泵浦光為紫外光激光，探測光為通信波長1 310 nm和1 550 nm。試驗發現，由于Fe在GaN中的深能級特性及載流子俘獲效應，GaN： Fe表現出明顯載流子復合效應，其復合壽命隨著Fe雜質的濃度增大而減小。載流子的復合壽命，即開關時間可以縮短至10 ps以下，對應的調制速率可達50 GHz。此外，由于探測波長在近紅外波段，由于Drude效應使瞬態吸收響應相比可見光探測增大了一個量級，在0.5 mJ/cm2 泵浦能流下，開關調制深度可達50%。

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